微米級煤塵云最低著火溫度特性試驗研究＊

孫睿成，劉天奇，孫溢陽

（沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧 沈陽 110136）

工業粉塵爆炸事故的危害及其嚴重，不僅可破壞工作環境，還可以造成巨大的財產損失。意大利面粉倉庫曾發生歷史上第一次有記載的粉塵爆炸事故，此后粉塵爆炸非但沒減少，反而日趨嚴重[1]。1987年哈爾濱亞麻廠發生亞麻粉塵爆炸，造成58人死亡；2010年河北某淀粉廠發生淀粉爆炸，造成19人死亡[2]；2014年昆山市昆山中榮金屬制品有限公司發生粉塵爆炸事故，造成146人死亡[3]。工業粉塵爆炸事故危害嚴重，本文選定微米級煤塵并對其云團著火特性展開研究。

煤礦在進行篩選、運輸等時會產生大量煤塵[4]，煤塵以層狀和云團狀存在于生產場所[5]，許多學者通過向可燃性粉塵中加入惰性粉塵來提高煤塵云最低著火溫度，主要對金屬粉塵[6-9]、煤粉[10-12]的抑制燃燒爆炸進行了研究。同時，由于煤塵云最低著火溫度受噴粉壓力、質量濃度、粒徑大小及分散度等因素[6-12]影響，因此對煤塵云最低著火溫度影響因素的研究成果逐年增多，對影響作用的研究逐漸全面。

筆者以煤塵云為研究對象，主要研究煤塵云質量濃度、噴粉壓力、惰性粉塵添加量對煤塵云最低著火溫度的影響作用，以期評估煤塵著火燃燒危險性，揭示惰性粉塵對煤塵云著火、燃燒的作用及抑制規律。

1 試驗樣品與測試原理

1.1 試驗樣品

制樣過程可以控制煤塵的粒徑大小，經過篩選，煤塵試樣的粒徑為75μm。此外，使用激光粒度分析儀進行煤塵粒度分析發現，煤塵顆粒的平均粒度為36μm。采用的惰性粉塵主要是碳酸鈣粉塵，該粉塵具有顯著的抑制著火和燃燒的效果，是很好的抑爆劑。經檢測，碳酸鈣粉塵的平均粒度為28μm。試驗前，為減少煤塵外水分對試驗結果產生的不良影響，根據相應國家標準，在試驗前將煤塵放入干燥箱內干燥12 h，隨后取出進行測試。

1.2 試驗測試原理

本試驗采用的試驗裝置是恒溫爐，該裝置可以設置的溫度上限為1 000℃，可以設置的溫度遞增步長為10℃。試驗時，先將一定質量的煤塵放入儲粉室，然后通過電阻絲以100℃的步長逐漸將加熱爐加熱，隨后壓縮空氣攜帶煤塵進入加熱爐，通過反射鏡可以觀察到煤塵云是否著火。

在試驗過程中，噴粉壓力、粉塵質量濃度、碳酸鈣添加量作為影響煤塵云著火溫度的3個重要因素，每個因素分別取3個水平做實驗，因此需要進行9次試驗才能達到試驗結果的要求。

2 實驗分析

2.1 實驗結果

根據上述試驗方案測試得到的煤塵云最低著火溫度數據如表1所示。由表1可知，設置的噴粉壓力分別為0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa，而粉塵云質量濃度分別為748 g/m3、1 110 g/m3、1 856 g/m3，添加的惰性粉塵量分別占煤塵質量的10%、30%和50%。通過改變這些影響煤塵云最低著火溫度的影響因素，可以從測試結果清晰地看到測試結果數據，進而分析出不同的影響因素對煤塵云最低著火溫度的影響作用。以噴塵壓力和煤塵云質量濃度為例，噴塵壓力和煤塵云質量濃度在該范圍內越大，測得的煤塵云最低著火溫度數據隨之減小，說明噴塵壓力的增大對煤塵云著火敏感度起到促進作用，而煤塵云質量濃度的增大，也從一定程度上增大煤塵云的著火敏感度。

表1 實驗結果

2.2 結果分析

通過計算極差來判定各因素的重要程度，極差體現了因素對目標值的影響程度，因為極差表示測試結果的最大值和最小值的差值，因此極差越大，表明該因素對煤塵云最低著火溫度的影響作用就越大。

計算結果如表2所示。從表中可以看出，惰性粉塵極差最大，質量濃度其次，噴粉壓力最小。所以，各因素的重要程度依次為惰性粉塵添加量、粉塵質量濃度、噴粉壓力。

表2 試驗數據結果分析

不同因素對煤塵云最低著火溫度的影響如圖1所示。由圖可知，煤塵云最低著火溫度隨噴粉壓力增大而減小，但變化幅度較小。隨著噴粉壓力增加，更多氧氣進入系統，粉塵云的分散程度更大，相應的湍流程度也加大，因此，更有利于粉塵的燃燒，所以隨著噴粉壓力增加，煤塵云最低著火溫度隨之降低。

圖1 不同因素對煤塵云最低著火溫度的影響

煤塵云最低著火溫度隨質量濃度增大而降低，煤塵云質量濃度在一定范圍內增大時，煤塵云最低著火溫度隨之降低，說明煤塵云質量濃度增大時產生了更多的可燃物，單位時間內會生成更多的可燃揮發分氣體物質，因此就更容易被點著。所以，隨著煤塵云質量濃度增加，煤塵云最低著火溫度會隨之降低。

煤塵云最低著火溫度隨惰性粉塵添加量的增加而增加，這是因為碳酸鈣屬于不可燃物質，在煤塵燃燒過程中充當冷卻劑，同時會降低氧的質量濃度，阻礙熱量向火焰陣面發展，碳酸鈣依靠物理性吸收熱量，阻止煤塵燃燒。

2.3 惰性粉塵含量對煤塵云最低著火溫度的影響

試驗前制備質量分數分別為0%、10%、30%、50%、70%的碳酸鈣與煤塵的混合物，噴粉壓力設置為0.05 MPa，混合物質量為3 g，即煤塵云的質量濃度為固定值，惰性粉塵含量對煤塵云最低著火溫度的影響如圖2所示。

圖2 惰性粉塵含量對煤塵云最低著火溫度的影響

由圖2可知，隨著碳酸鈣質量分數增加，混合物最低著火溫度逐漸升高。當碳酸鈣質量分數為50%，由原先碳酸鈣質量分數為30%時的520℃增加至560℃，說明碳酸鈣這種惰性粉塵對煤塵云最低著火溫度具有很好的惰化作用，會降低煤塵云的著火敏感度。

當惰性粉塵的含量小于50%時，可以看出煤塵云最低著火溫度隨碳酸鈣質量分數的增大呈緩慢增加的趨勢，這是因為高溫下煤塵云分解出可燃氣體，可燃氣體與氧氣發生燃燒，低含量的惰性粉塵對煤塵云著火和燃燒過程的抑制效果并不明顯。但是當惰性粉塵的含量大于50%時，可以看出氧氣含量會明顯減少，此時抑制著火的效果更顯著。

3 結論

通過分析噴粉壓力、粉塵質量濃度、惰性粉塵添加量對煤塵云最低著火溫度的影響，表明惰性粉塵添加量和粉塵質量濃度對煤塵云最低著火溫度的影響較為顯著。

煤塵云燃燒屬于氣相燃燒，隨著煤塵云質量濃度增加，煤塵云最低著火溫度降低；當噴粉壓力在0.03 MPa以上時，隨著噴粉壓力增大，煤塵云最低著火溫度逐漸變大。

碳酸鈣作為一種抑爆劑，對煤塵燃燒可起到物理抑制作用，且隨著惰性粉塵碳酸鈣含量增加，煤塵云最低著火溫度會提高，碳酸鈣含量大于50%時，抑制著火的效果十分明顯。